双轮缘行车轮的轧制成形工艺

   双轮缘行车轮被广泛应用于港口、船舶、矿山、工程机械等领域,具有形状复杂、承受载荷大、工作环境恶劣等特点。目前,随着港口机械市场复苏,双轮缘行车轮已占据市场一定比例,呈现出品种多、数量大、尺寸差异大等特点。寻求一种经济、可行、成材率高的生产方式尤为必要。

   本公司成熟的火车轮生产经验,对双轮缘行车大轮的成形工艺进行了深入研究,以提高成材率,降低制造成本,提高了产品质量及生产效率。

   行车轮通常采用“模锻 + 轧制复合成形”进行生产，对于现有装备而言,双轮缘行车轮的结构尺寸具有很显著的特殊性。选取典型的Ф900mm行车轮作为研究对象,其结构尺寸给锻轧成形带来的难度主要体现在以下几个方面:

   (1)双轮缘结构,成品槽宽173mm,两侧轮缘厚度为30.5mm;

   (2)辋宽高,成品辋宽234mm,热锻件辋宽为250mm,严重超出现有轧机设备开档极限尺寸;

   (3) 外径大、下料重量大,该行车轮外圆直径较大,热态锻件外圆直径达到Ф980mm,所需轧制力较大,成形时易出现边角缺肉等缺陷。

   根据上述行车轮锻件成形工艺难点分析,其辋宽严重超出现有轧机设备极限,因此,需对轧机设备进行改造,设计了加宽(加宽70 mm)的轧机机架及其配套的压紧辊销轴及隔套,满足了轧制高宽度行车轮的最基本条件。

   考虑到直接轧制双轮缘存在较大质量风险,决定分两阶段开展双轮缘行车轮轧制成形工艺的研究。第1阶段,采用轧制直踏面行车轮的方案,双轮缘部位由机加工完成。待工艺成熟以后,再开展第2阶段研究,进行双轮缘轧制。这样一方面可降低下料重量,进一步提高成材率;另一方面亦可减小机加工余量,提高加工效率。

   出于质量安全方面的考虑,首先对直踏面行车轮轧制工艺进行研究,初步工艺方案确定后,开始尝试进行小批量生产试制。试制过程存在的问题有:轮坯在轧制时“上下蹿动”,不能在轧机上稳态运转,导致出现内侧辋辐距偏大、辐板厚度偏小、内侧辐板出现较深台阶等诸多质量问题;另外,也出现了内辋面金属折叠、压紧辊下侧轴承异常频繁损坏等问题。针对出现的质量问题,分析其产生原因,并采取如下措施加以改进。为尽可能减少轮坯在轧机上不能稳态运转的情况,增加了主轧辊外圆角度,由0°增加到8°,以期将轮坯进行机械限位,改善轮坯“上下蹿动”的情况,从而改善由此造成的质量问题。

   成形坯外圆因考虑脱模的原因,常规设置为10°的拔模斜度,成形时外圆与内辋面过渡的自由倒角处填充较好。由于该行车轮高辋宽(成形坯辋宽为 253.5 mm)的尺寸特点, 成形坯外侧轮辋面与外圆倒角直径较内侧轮辋面与踏面倒角直径小约73mm。在后续轧制过程中,内侧直径过早达到轧制坯外形尺寸要求,为保证外侧直径处填充饱满,继续轧制时极易使内侧直径处多余金属顺延至内辋面区域从而在内辋面形成折叠缺陷。

   另外,同样的原因导致压紧辊上、下侧轴承受力不均匀,下侧轴承受力较大,且轧制过程接触时间过长,极易出现异常磨损现象，综上考虑,将成形坯的角度由10°更改为6°,并相应地将成形环模具由10°更改为 6°,以此来减小成形坯的直径差值,从而减缓内辋面折叠以及压紧辊下部轴承受力不均匀的问题。

   鉴于直踏面行车轮轧制工艺已基本趋于稳定,开始进入轧制双轮缘阶段,通过在模具中的压紧辊和主轧辊外圆上设置“凸台”结构来实现双轮缘的轧制。另外,“凸台”结构在轧制过程中可将轮坯进行较好的“卡位”,能更好地防止轮坯在轧机上“上下蹿动”;同时,也可对压紧辊受力不均匀起到一定的缓和作用, 可有效解决压紧辊下侧轴承异常损坏的问题。

   在Ф900mm双轮缘行车轮压机分体模具工艺得到良好使用效果的基础上,还对其他双轮缘行车轮进行了批量生产验证,合格率较高,大幅度节约了下料重量,极大提高了成材率。相比一次模锻成形而言,下料重量减少程度非常显著。

   因双轮缘行车轮均为直辐板,且具有高度对称特点,因此,对多种行车轮的辋宽、辋辐距、毂辐距、孔径、踏面槽宽、内外毂径等关键尺寸进行了分类识别,设计了通用的上下冲孔模具、上下斜辊、压紧辊、主轧辊、上压弯模等,满足了冲孔、轧制、压弯等工序模具的通用化,极大地缩短了模具制造周期,从而提高了生产效率。

   针对双轮缘行车轮高宽度、大轮径、双轮缘、装备与工装受限等成形工艺难点,创造性地通过改造设备,将压机上成形模拆分为分体结构模具,增加打料装置,设计特殊结构模具,使原本不适合在本条车轮生产线生产的双轮缘行车轮得以成功开发, 极大地提高了产品成材率,并经过批量生产试制,获得了较高的合格率,证明了该锻轧成形工艺及设计的模具稳定可靠、切实可行。双轮缘行车轮的成功开发,是一个典形的降本增效的方案,对公司适应新的经济发展形势、实现产品多元化、培育新的利润增长点具有极其重要的现实意义。